JP7251307B2 - Analysis system, fecal odor gas analysis system and breath gas analysis system - Google Patents

Analysis system, fecal odor gas analysis system and breath gas analysis system Download PDF

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Description

本発明は、分析システム、便臭ガス分析システム及び呼気ガス分析システムに関する。 The present invention relates to an analysis system, a fecal odor gas analysis system, and an exhaled gas analysis system.

電界非対称波形イオン移動度分光分析（Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry：ＦＡＩＭＳ）システムによる分子の検出及び分析について種々の検討が行われている。ＦＡＩＭＳシステムは、非対称の交流信号が印加される１対の電極を備えたイオンフィルタを有しており、イオン化した気体の分子をイオンフィルタに流すと、その移動度の差によって選別される。イオンフィルタを通過したイオンをイオン検出電極に衝突させ、イオン検出電極で発生した電流を検出することで、気体の成分を特定できる。 Various studies have been conducted on the detection and analysis of molecules by Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry (FAIMS) systems. The FAIMS system has an ion filter with a pair of electrodes to which an asymmetric alternating signal is applied, and ionized gas molecules flow through the ion filter and are sorted by their mobility difference. By causing the ions that have passed through the ion filter to collide with the ion detection electrode and detecting the current generated by the ion detection electrode, the component of the gas can be specified.

従来、一対の閉じ込め電極を用いて、イオン化されたサンプルをイオンフィルタに導くＦＡＩＭＳシステムが提案されている（特許文献１）。 Conventionally, a FAIMS system has been proposed in which a pair of confining electrodes is used to guide an ionized sample to an ion filter (US Pat.

しかしながら、従来のＦＡＩＭＳシステムでは、十分な検出感度を得ることが難しい。 However, with conventional FAIMS systems, it is difficult to obtain sufficient detection sensitivity.

本開示は、検出感度を向上することができる分析システム、便臭ガス分析システム及び呼気ガス分析システムを提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide an analysis system, a fecal odor gas analysis system, and an exhaled gas analysis system that can improve detection sensitivity.

本開示の一態様によれば、分析システムは、放電電極を有し、サンプルガスを第１の極性にイオン化させるイオン化部と、前記サンプルガスのイオンの少なくとも一部を検出する検出器と、前記イオン化部及び前記検出器を収容する筐体と、前記筐体に前記第１の極性の電圧を印加することで、前記イオン化部と前記検出器との間で前記筐体の内側に電界を発生させる電圧印加部と、前記イオン化部と前記検出器との間に設けられたイオンフィルタと、を有し、前記電界は、前記サンプルガスの通流方向に平行な第１の方向に対して直交する第２の方向の第１の成分と、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向の第２の成分とを有し、前記筐体は、少なくとも、前記イオン化部と前記イオンフィルタとの間で導電性を備え、前記電圧印加部は、前記イオンフィルタに含まれる電極にオフセット電圧を印加し、前記検出器は、前記イオンフィルタを通過したイオンが衝突するイオン検出電極を有し、前記放電電極の電圧をＶ１、前記電圧印加部により前記筐体に印加される電圧をＶ２、前記オフセット電圧をＶ３、前記イオン検出電極の電位をＶ４としたとき、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜≧｜Ｖ３｜＞｜Ｖ４｜の関係が成り立つ。 According to one aspect of the present disclosure, an analysis system includes an ionization section that has a discharge electrode and ionizes a sample gas to a first polarity, a detector that detects at least a portion of the ions of the sample gas, and the An electric field is generated inside the housing between the ionization unit and the detector by applying a voltage of the first polarity to the housing that houses the ionization unit and the detector. and an ion filter provided between the ionization section and the detector, wherein the electric field is orthogonal to a first direction parallel to the flowing direction of the sample gas. and a second component in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction , wherein the housing includes at least the ionization section and the ion filter, the voltage applying unit applies an offset voltage to the electrodes included in the ion filter, and the detector detects ions that collide with ions that have passed through the ion filter. When V1 is the voltage of the discharge electrode, V2 is the voltage applied to the housing by the voltage applying unit, V3 is the offset voltage, and V4 is the potential of the ion detection electrode, |V1| >|V2|≥|V3|>|V4| .

本開示によれば、検出感度を向上することができる。 According to the present disclosure, detection sensitivity can be improved.

イオン検出装置の一例におけるイオンの移動の軌跡を示す図である。It is a figure which shows the locus|trajectory of the movement of the ion in an example of an ion detection apparatus. イオンの移動度の電界強度依存性を示す図である。It is a figure which shows the electric field strength dependence of the mobility of ion. イオンフィルタで発生する電界波形の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the electric field waveform which generate|occur|produces with an ion filter. 第１の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing the configuration of an analysis system according to a first embodiment; FIG. 第１の実施形態に係る分析システムの構成を示す断面図である。It is a sectional view showing composition of an analysis system concerning a 1st embodiment. サンプルガスが正イオン化される場合のオフセット電圧及び補償電圧の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of offset voltage and compensation voltage when sample gas is positively ionized; サンプルガスが負イオン化される場合のオフセット電圧及び補償電圧の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of offset voltage and compensation voltage when sample gas is negatively ionized; 図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の一例を示す図である。FIG. 4 shows an example of an asymmetric voltage waveform for implementing the example of the electric field waveform shown in FIG. 3; 図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の他の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing another example of an asymmetric voltage waveform for realizing the example of the electric field waveform shown in FIG. 3; 第２の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the analysis system which concerns on 2nd Embodiment. 第２の実施形態に係る分析システムの構成を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of an analysis system according to a second embodiment; 第３の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of an analysis system according to a third embodiment; 実験に用いた装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus used for experiment. 実験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of experiment. イオンフィルタの他の例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing another example of an ion filter;

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, constituent elements having substantially the same functional configuration may be denoted by the same reference numerals, thereby omitting redundant description.

（イオン検出装置）
まず、ＦＡＩＭＳシステムに用いられるイオン検出装置の構成及び基本原理について説明する。図１は、イオン検出装置の一例におけるイオンの移動の軌跡を示す図である。図２は、イオンの移動度の電界強度依存性を示す図である。図３は、イオンフィルタで発生する電界波形の一例を示す図である。 (Ion detector)
First, the configuration and basic principle of an ion detector used in the FAIMS system will be described. FIG. 1 is a diagram showing trajectories of ion movement in an example of an ion detection device. FIG. 2 is a diagram showing electric field intensity dependence of ion mobility. FIG. 3 is a diagram showing an example of an electric field waveform generated by an ion filter.

図１に示すように、このイオン検出装置１００は、互いに対向する第１の電極１１１及び第２の電極１１２を備えたイオンフィルタ１１０と、イオンフィルタ１１０を通過した通過イオンが衝突するイオン検出電極１２０とを有する。 As shown in FIG. 1, this ion detection device 100 includes an ion filter 110 having a first electrode 111 and a second electrode 112 facing each other, and an ion detection electrode with which passing ions that have passed through the ion filter 110 collide. 120.

イオン検出装置１００は、イオン検出電極１２０にイオン電流検出回路を接続して用いられる。イオン検出電極１２０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路により検出される。なお、ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、被分析分子の進行方向を＋Ｚ方向とし、第１の電極１１１から第２の電極１１２が見える方向を＋Ｙ方向とし、＋Ｙ方向及び＋Ｚ方向に直交する方向を＋Ｘ方向とする。 The ion detection device 100 is used by connecting an ion current detection circuit to the ion detection electrode 120 . A current is generated according to the amount of ions that collide with the ion detection electrode 120, and this current is detected by the ion current detection circuit. Here, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is used, the traveling direction of the molecule to be analyzed is the +Z direction, the direction in which the second electrode 112 can be seen from the first electrode 111 is the +Y direction, and the +Y direction and the +Z direction are perpendicular to each other. It is assumed that the +X direction is the direction in which the

イオンは、電界Ｅの環境下では次の（１）式で示される移動速度Ｖで移動する。ここで、Ｋは、該イオンの移動度である。
Ｖ＝Ｋ×Ｅ ・・・ （１） Ions move at a moving speed V represented by the following equation (1) under an electric field E environment. where K is the mobility of the ion.
V=K×E (1)

ところで、イオンの移動度には電界強度依存性がある。そして、この電界強度依存性は、イオンの種類によって異なっている。図２には、一例として、種類が異なる３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）における移動度の電界強度依存性が示されている。なお、図２では、分かりやすくするため、各イオンの移動度が電界強度０で等しくなるように正規化されている。 By the way, the mobility of ions depends on the electric field strength. This electric field strength dependence differs depending on the type of ion. FIG. 2 shows, as an example, the electric field intensity dependence of the mobility of three ions (ions 11, 12, and 13) of different types. In FIG. 2, for the sake of clarity, the ions are normalized so that the mobilities of the ions are equal when the electric field strength is zero.

３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）の移動度は、電界強度が９ｋＶ／ｃｍ以下の低電界強度ではほぼ変化なしである。電界強度が約１０ｋＶ／ｃｍから増すにつれてイオンの種類固有の特性が移動度に現れる。イオン１１の移動度は、電界強度が増加するに従って大きく増加し、正の高電界（Ｅｍａｘ）で最大となる。イオン１２の移動度は電界強度によらずほとんど変化しない。イオン１３の移動度は、緩やかに減少する。このように三者三様の特性を示している。イオンフィルタ１１０は、低電界強度での移動度と高電界強度での移動度との違いを利用してイオンの選別を行う。 The mobilities of the three ions (ion 11, ion 12, and ion 13) are almost unchanged at low electric field strengths of 9 kV/cm or less. As the electric field strength increases from about 10 kV/cm, ion type-specific properties appear in the mobility. The mobility of ions 11 increases greatly with increasing field strength and is maximum at high positive fields (Emax). The mobility of the ions 12 hardly changes regardless of the electric field strength. The mobility of ions 13 decreases slowly. In this way, it exhibits three different characteristics. The ion filter 110 utilizes the difference in mobility at low electric field strength and mobility at high electric field strength to sort ions.

図１には、イオンフィルタ１１０の第１の電極１１１と第２の電極１１２との間における３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）の移動の軌跡が示されている。なお、ここでは、分かりやすくするため、便宜的に、第１の電極１１１及び第２の電極１１２を導電体でできた平行平板としている。 FIG. 1 shows trajectories of movement of three ions (ion 11, ion 12, and ion 13) between the first electrode 111 and the second electrode 112 of the ion filter 110. FIG. Here, for the sake of clarity, the first electrode 111 and the second electrode 112 are assumed to be parallel plates made of a conductor for convenience.

第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に発生する電界の波形を非対称電界波形とすることによって、任意のイオン（図１では、イオン１２）のみをイオン検出電極１２０に到達させることができる。 By making the waveform of the electric field generated between the first electrode 111 and the second electrode 112 an asymmetrical electric field waveform, only arbitrary ions (ions 12 in FIG. 1) can reach the ion detection electrode 120. can be done.

図３には、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に発生させる電界波形の一例が示されている。この電界波形は、正の高電界（Ｅｍａｘ）と負の低電界（Ｅｍｉｎ）を交互に繰り返している。そして、高電界の期間（ｔ１）は低電界の期間（ｔ２）よりも短く、ｔ１とｔ２との比は１：３～１：５である。このように電界波形は、上下に関して非対称である。この非対称電界波形は、時間平均電界が零であり、次の（２）式が成り立つように設定されている。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２ ・・・ （２） FIG. 3 shows an example of an electric field waveform generated between the first electrode 111 and the second electrode 112. As shown in FIG. This electric field waveform alternates between a positive high electric field (Emax) and a negative low electric field (Emin). The high electric field period (t1) is shorter than the low electric field period (t2), and the ratio between t1 and t2 is 1:3 to 1:5. Thus, the electric field waveform is vertically asymmetrical. This asymmetric electric field waveform has a time-averaged electric field of zero and is set so that the following equation (2) holds.
|Emax|×t1=|Emin|×t2 (2)

すなわち、図３における領域２１の面積と領域２２の面積が一致するように設定されている。 That is, the area of the area 21 and the area of the area 22 in FIG. 3 are set to match.

なお、以下では、次の（３）式に示されるように、｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１の値、及び｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２の値をβとする。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２＝β ・・・ （３） In the following description, the value of |Emax|×t1 and the value of |Emin|×t2 are assumed to be β, as shown in the following equation (3).
|Emax|×t1=|Emin|×t2=β (3)

ところで、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度（Ｖｕｐ）は、次の（４）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）は、高電界（Ｅｍａｘ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｕｐ＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜ ・・・ （４） By the way, the velocity (Vup) at which ions move in the Y-axis direction during the high electric field period (t1) is given by the following equation (4). where K(Emax) is the ion mobility at high electric field (Emax).
Vup=K(Emax)×|Emax| (4)

例えば、｜Ｅｍａｘ｜が約１０ｋＶ／ｃｍ以上の場合、３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）では、イオン毎に移動度が異なるので、３つのイオンの移動速度（Ｖｕｐ）は三者三様に異なる。すなわち、図１に示されるように、高電界の期間（ｔ１）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜は互いに異なっている。 For example, when |Emax| is about 10 kV/cm or more, three ions (ion 11, ion 12, and ion 13) have different mobilities. Three different. That is, as shown in FIG. 1, during the high electric field period (t1), the inclinations of the three ion trajectories are different from each other.

そして、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位（ｙｕｐ）は、次の（５）式で示される。
ｙｕｐ＝Ｖｕｐ×ｔ１ ・・・ （５） The displacement (yup), which is the distance that ions move in the Y-axis direction during the high electric field period (t1), is given by the following equation (5).
yup=Vup×t1 (5)

一方、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度（Ｖｄｏｗｎ）は、次の（６）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍｉｎ）は、低電界（Ｅｍｉｎ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｄｏｗｎ＝－Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜ ・・・ （６） On the other hand, the velocity (Vdown) at which the ions move in the Y-axis direction during the low electric field period (t2) is given by the following equation (6). where K(Emin) is the ion mobility at low electric field (Emin).
Vdown=−K(Emin)×|Emin| (6)

例えば、｜Ｅｍｉｎ｜が約５ｋＶ／ｃｍ以下の場合、３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）では、移動度がほぼ同一であるので、３つのイオンの移動速度（Ｖｄｏｗｎ）はほぼ同一である。すなわち、図１に示されるように、低電界の期間（ｔ２）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜はほぼ同じである。 For example, when the |Emin| is. That is, as shown in FIG. 1, during the low electric field period (t2), the slopes of the trajectories of the three ions are almost the same.

そして、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位（ｙｄｏｗｎ）は、次の（７）式で示される。
ｙｄｏｗｎ＝Ｖｄｏｗｎ×ｔ２ ・・・ （７） The displacement (ydown), which is the distance that the ions move in the Y-axis direction during the low electric field period (t2), is given by the following equation (7).
ydown=Vdown×t2 (7)

非対称電界波形の１周期（Ｔ）内では、イオンは、＋Ｚ方向に移動しつつ、期間（ｔ１）の間に＋Ｙ方向に移動し、期間（ｔ２）の間に－Ｙ方向に移動する。 Within one period (T) of the asymmetric electric field waveform, ions move in the +Z direction, move in the +Y direction during the period (t1), and move in the -Y direction during the period (t2).

そこで、図１に示されるように、ジグザグ運動を繰り返しながら第１の電極１１１に向かうもの（イオン１１）と、ジグザグ運動を繰り返しながら第２の電極１１２に向かうもの（イオン１３）と、＋Ｙ方向の変位と－Ｙ方向の変位とが釣り合い、イオン検出電極１２０に向かうもの（イオン１２）とに分類される。 Therefore, as shown in FIG. 1, one (ion 11) that repeats a zigzag motion toward the first electrode 111, one (ion 13) that repeats a zigzag motion toward the second electrode 112, and the +Y direction. and the displacement in the -Y direction are balanced, and are classified into those (ions 12) directed toward the ion detection electrode 120. FIG.

ところで、非対称電界波形における１周期（Ｔ）での、イオンのＹ軸方向に関する平均変位（ΔｙＲＦ）は、次の（８）式で表される。
ΔｙＲＦ＝ｙｕｐ＋ｙｄｏｗｎ
＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１－Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２ ・・・ （８） By the way, the average displacement (ΔyRF) of ions in the Y-axis direction in one period (T) in the asymmetric electric field waveform is expressed by the following equation (8).
ΔyRF=yup+ydown
=K(Emax)×|Emax|×t1−K(Emin)×|Emin|×t2 (8)

そして、上記（８）式は、上記（３）式を用いて次の（９）式のように表すことができる。
ΔｙＲＦ＝β｛Ｋ（Ｅｍａｘ）－Ｋ（ｍｉｎ）｝ ・・・ （９） The above equation (8) can be expressed as the following equation (9) using the above equation (3).
ΔyRF=β{K(Emax)−K(min)} (9)

ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）－Ｋ（ｍｉｎ）をΔＫとおくと、上記（９）式は次の（１０）式のように表される。
ΔｙＲＦ＝βΔＫ ・・・ （１０） Here, if K(Emax)-K(min) is ΔK, the above equation (9) is expressed as the following equation (10).
ΔyRF=βΔK (10)

βは第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に印加される非対称電界で決まる定数である。そこで、非対称電界波形の１周期（Ｔ）あたりのイオンのＹ軸方向に関する変位は、低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度の差分であるΔＫに依存する。 β is a constant determined by the asymmetric electric field applied between the first electrode 111 and the second electrode 112 . Therefore, the displacement of ions in the Y-axis direction per period (T) of the asymmetric electric field waveform depends on ΔK, which is the difference between the mobility in the low electric field (Emin) and the mobility in the high electric field (Emax).

キャリアガスだけがイオンをＺ軸方向に移送させると仮定すると、イオンが第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に滞在しているときの、該イオンのＹ軸方向に関する変位（Ｙ）は、次の（１１）式で示される。ここで、ｔｒｅｓは、イオンが第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に滞在している平均時間（平均イオン滞在時間）である。 Assuming that only the carrier gas transports ions in the Z-axis direction, the displacement of the ions in the Y-axis direction (Y ) is expressed by the following equation (11). Here, tres is the average time that ions stay between the first electrode 111 and the second electrode 112 (average ion residence time).

Figure 0007251307000001
Figure 0007251307000001

平均イオン滞在時間ｔｒｅｓは、次の（１２）式で表される。ここで、Ａはイオンフィルタ１１０におけるイオンパスの断面積、ＬはＺ軸方向に関する電極の長さ（電極深さ）、Ｑはキャリアガスの容積流量である。Ｖはイオンフィルタ１１０の容積（＝Ａ×Ｌ）である。 The average ion residence time tres is represented by the following equation (12). Here, A is the cross-sectional area of the ion path in the ion filter 110, L is the length of the electrode (electrode depth) in the Z-axis direction, and Q is the volumetric flow rate of the carrier gas. V is the volume of the ion filter 110 (=A×L).

Figure 0007251307000002
Figure 0007251307000002

上記（１１）式は、上記（１２）式及び上記（３）式を用いて、次の（１３）式のように表すことができる。ここで、Ｄは非対称電界波形のデューティであり、Ｄ＝ｔ１／Ｔである。 The above equation (11) can be expressed as the following equation (13) using the above equations (12) and (3). Here, D is the duty of the asymmetric electric field waveform, and D=t1/T.

Figure 0007251307000003
Figure 0007251307000003

非対称電界波形における高電界（Ｅｍａｘ）、イオンフィルタ１１０におけるイオンパスの容積（Ｖ）、非対称電界波形のデューティ（Ｄ）、及びキャリアガスの容積流量（Ｑ）について、すべてのイオン種に対して同一の値を用いると、上記（１３）式から、変位（Ｙ）は、イオン種固有の低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度との差分ΔＫに比例することがわかる。 The high electric field (Emax) in the asymmetric electric field waveform, the ion path volume (V) in the ion filter 110, the duty (D) of the asymmetric electric field waveform, and the volumetric flow rate (Q) of the carrier gas are identical for all ion species. (13), the displacement (Y) is proportional to the difference ΔK between the ion species-specific mobility at a low electric field (Emin) and at a high electric field (Emax). Recognize.

なお、図１ではイオン１２の変位（Ｙ）が最小であり、イオン１２のみがイオン検出電極１２０に到達しているが、デューティ（Ｄ）を変化させることによってイオン１２とは異なるΔＫを有するイオンをイオン検出電極１２０に到達させることができる。さらに、デューティ（Ｄ）を小刻みに変化させていくことで、ΔＫが異なる様々なイオンの有無や量を検出することができる。 In FIG. 1, the displacement (Y) of the ions 12 is the smallest, and only the ions 12 reach the ion detection electrode 120. By changing the duty (D), ions having a different ΔK from the ions 12 can be detected. can reach the ion detection electrode 120 . Further, by gradually changing the duty (D), it is possible to detect the presence and amount of various ions with different ΔK.

デューティ（Ｄ）を一定としながら、高電界（Ｅｍａｘ）と低電界（Ｅｍｉｎ）との差である分散電圧（ＶＤＦ）を変化させることでも、ΔＫが異なる様々なイオンの有無や量を検出することができる。 By changing the dispersion voltage (VDF), which is the difference between the high electric field (Emax) and the low electric field (Emin), while keeping the duty (D) constant, the presence and amount of various ions with different ΔK can be detected. can be done.

また、イオン検出装置１００において、ΔＫが異なる様々なイオン種を検出する方法として、非対称電界波形に低強度のＤＣ電界を重畳する方法がある。この方法によると、期間（ｔ１）及び期間（ｔ２）でのＹ軸方向に関する変位量を変化させることができる。そこで、第１の電極１１１又は第２の電極１１２に接触せずにイオン検出電極１２０に到達することができるイオン種を連続的に変えることができる。なお、非対称電界波形に重畳するＤＣ電界は補償電圧（compensation voltages：ＣＶ）とよばれている。この方法では、補償電圧を掃引してΔＫが異なる様々なイオン種の有無や量を検出する。 In addition, in the ion detection device 100, there is a method of superimposing a low-intensity DC electric field on an asymmetric electric field waveform as a method of detecting various ion species with different ΔK. According to this method, it is possible to change the amount of displacement in the Y-axis direction during the period (t1) and the period (t2). Therefore, the ion species that can reach the ion detection electrode 120 without contacting the first electrode 111 or the second electrode 112 can be changed continuously. Note that the DC electric field superimposed on the asymmetric electric field waveform is called compensation voltages (CV). In this method, the compensation voltage is swept to detect the presence and amount of various ion species with different ΔK.

前述の分散電圧及び補償電圧を様々な値で組み合わせた条件でイオン検出量のデータを取ることによって、様々なイオン種の有無をより正確に分析することが可能となる。 By collecting data on the amount of ions detected under conditions in which various values of the dispersion voltage and the compensation voltage are combined, it is possible to more accurately analyze the presence or absence of various ion species.

ところで、イオン検出電極１２０に到達する前に第１の電極１１１又は第２の電極１１２に接触したイオンは、中和されてイオンでなくなり検出されない。 By the way, ions that come into contact with the first electrode 111 or the second electrode 112 before reaching the ion detection electrode 120 are neutralized and are not detected as ions.

このようにして、イオン検出装置１００により、イオンを選択的に検出することができる。 In this manner, ions can be selectively detected by the ion detection device 100 .

イオンフィルタ１１０には、イオナイザ等によりイオン化した分子が供給されるところ、イオン化した分子がイオンフィルタ１１０に到達する前に、イオンフィルタ１１０を収容する筐体等に吸収されることがある。このような吸収が生じると、イオン検出電極１２０に到達するイオンの量が減少し、十分な検出感度が得られないことがある。 When ionized molecules are supplied to the ion filter 110 by an ionizer or the like, the ionized molecules may be absorbed by a housing or the like housing the ion filter 110 before reaching the ion filter 110. When such absorption occurs, the amount of ions reaching the ion detection electrode 120 is reduced, and sufficient detection sensitivity may not be obtained.

（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、ＦＡＩＭＳシステムを応用した分析システムに関する。図４は、第１の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。図５は、第１の実施形態に係る分析システムの構成を示す断面図である。図５は、図４中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。 (First embodiment)
Next, a first embodiment will be described. A first embodiment relates to an analysis system to which the FAIMS system is applied. FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the analysis system according to the first embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the analysis system according to the first embodiment. FIG. 5 corresponds to a cross-sectional view taken along line II in FIG.

第１の実施形態に係る分析システム１は、イオナイザ１３０と、イオンフィルタ１１０と、イオン検出電極１２０とを有する。イオナイザ１３０と、イオンフィルタ１１０と、イオン検出電極１２０とは筐体１５１に収容されている。筐体１５１の入口１７１から出口１７２に向けて、イオナイザ１３０と、イオンフィルタ１１０と、イオン検出電極１２０とがこの順に並んで配置されている。イオンフィルタ１１０は、第１の電極１１１と、第２の電極１１２とを有する。筐体１５１は導電性を備える。筐体１５１は、例えば金属製である。筐体１５１と第１の電極１１１との間に、筐体１５１と第１の電極１１１とを互いから電気的に絶縁する絶縁体１１３が設けられ、筐体１５１と第２の電極１１２との間に、筐体１５１と第２の電極１１２とを互いから電気的に絶縁する絶縁体１１４が設けられている。分析システム１は、更に、イオン電流検出回路１６１と、非対称波形信号発生回路１６２と、補償電圧発生回路１６３と、バイアス電圧発生回路１６４と、を有する。入口１７１から出口１７２に向かう方向が第１の方向の一例であり、第１の電極１１１から第２の電極１１２が見える方向が第２の方向の一例であり、これらに直交する方向が第３の方向の一例である。 The analysis system 1 according to the first embodiment has an ionizer 130 , an ion filter 110 and an ion detection electrode 120 . Ionizer 130 , ion filter 110 , and ion detection electrode 120 are housed in housing 151 . The ionizer 130 , the ion filter 110 , and the ion detection electrode 120 are arranged in this order from the inlet 171 to the outlet 172 of the housing 151 . The ion filter 110 has a first electrode 111 and a second electrode 112 . The housing 151 is electrically conductive. The housing 151 is made of metal, for example. An insulator 113 is provided between the housing 151 and the first electrode 111 to electrically insulate the housing 151 and the first electrode 111 from each other. In between, an insulator 114 is provided that electrically isolates the housing 151 and the second electrode 112 from each other. The analysis system 1 further has an ion current detection circuit 161 , an asymmetric waveform signal generation circuit 162 , a compensation voltage generation circuit 163 and a bias voltage generation circuit 164 . A direction from the entrance 171 to the exit 172 is an example of a first direction, a direction in which the second electrode 112 can be seen from the first electrode 111 is an example of a second direction, and a direction perpendicular to these directions is a third direction. is an example of the direction of

イオナイザ１３０は、例えば、放射性元素、コロナ放電、紫外線又は触媒等により、サンプルガスをイオン化する。イオナイザ１３０はイオン化部の一例である。イオンフィルタ１１０は、イオン化したサンプルガスの一部を選択的に通過させる。イオン検出電極１２０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路１６１により検出される。 The ionizer 130 ionizes the sample gas using, for example, radioactive elements, corona discharge, ultraviolet light, or a catalyst. The ionizer 130 is an example of an ionization section. Ion filter 110 selectively passes a portion of the ionized sample gas. A current is generated according to the amount of ions that collide with the ion detection electrode 120 , and this current is detected by the ion current detection circuit 161 .

非対称波形信号発生回路１６２は、図３に示す非対称電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の信号を第１の電極１１１及び第２の電極１１２に供給する。第１の電極１１１には、非対称波形信号発生回路１６２から信号Ｐ１が供給され、第２の電極１１２には、非対称波形信号発生回路１６２から信号Ｐ２が供給される。補償電圧発生回路１６３は、オフセット電圧及び補償電圧を第１の電極１１１及び第２の電極１１２に供給する。第１の電極１１１には、補償電圧発生回路１６３から信号ＣＶ１が供給され、第２の電極１１２には、補償電圧発生回路１６３から信号ＣＶ２が供給される。 The asymmetric waveform signal generation circuit 162 supplies the first electrode 111 and the second electrode 112 with an asymmetric voltage waveform signal for realizing the example of the asymmetric electric field waveform shown in FIG. A signal P1 is supplied from the asymmetric waveform signal generation circuit 162 to the first electrode 111 , and a signal P2 is supplied from the asymmetric waveform signal generation circuit 162 to the second electrode 112 . A compensation voltage generation circuit 163 supplies an offset voltage and a compensation voltage to the first electrode 111 and the second electrode 112 . A signal CV1 is supplied from the compensation voltage generation circuit 163 to the first electrode 111, and a signal CV2 is supplied from the compensation voltage generation circuit 163 to the second electrode 112. FIG.

ここで、オフセット電圧及び補償電圧について説明する。図６は、サンプルガスが正イオン化される場合のオフセット電圧及び補償電圧の一例を示す図である。図７は、サンプルガスが負イオン化される場合のオフセット電圧及び補償電圧の一例を示す図である。 Here, the offset voltage and the compensation voltage will be explained. FIG. 6 is a diagram showing an example of the offset voltage and compensation voltage when the sample gas is positively ionized. FIG. 7 is a diagram showing an example of the offset voltage and compensation voltage when the sample gas is negatively ionized.

サンプルガスが正イオン化される場合、例えば、信号ＣＶ１の電圧は、一定（ここでは５０Ｖ）のオフセット電圧である。サンプルガスが負イオン化される場合、例えば、信号ＣＶ１の電圧は、一定（ここでは－５０Ｖ）のオフセット電圧である。例えば、信号ＣＶ２の電圧は、信号ＣＶ１と同じオフセット電圧に、最大で±６Ｖの補償電圧をコードと共に変化させて重畳した電圧である。 If the sample gas is positively ionized, for example, the voltage of signal CV1 is a constant (here 50 V) offset voltage. If the sample gas is negatively ionized, for example, the voltage of signal CV1 is a constant (here −50 V) offset voltage. For example, the voltage of signal CV2 is the same offset voltage as signal CV1 superimposed with a compensation voltage of up to ±6 V, varying with code.

なお、補償電圧の範囲は±６Ｖに限定されず、分析目的によって±１０Ｖ又は±２Ｖ等の任意の範囲とすることができる。また、変化させるステップ電圧も所望の分解能を考慮して任意の値に設定すればよい。 Note that the range of the compensation voltage is not limited to ±6V, and can be any range such as ±10V or ±2V depending on the purpose of analysis. Also, the step voltage to be changed may be set to an arbitrary value in consideration of the desired resolution.

次に、非対称電圧波形の信号について説明する。図８は、図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の一例を示す図である。図８に示す例では、電圧が一定（ここでは０Ｖ）の信号Ｐ１を第１の電極１１１に供給し、図３の非対称波形電界と等しい周期Ｔ、パルス幅ｔ１、ｔ２を有する高周波波形信号Ｐ２を第２の電極１１２に供給する。高周波波形信号Ｐ２の振幅は、Ｅｍａｘ～Ｅｍｉｎに対応するＶｍａｘ～－Ｖｍｉｎである。 Next, a signal with an asymmetrical voltage waveform will be described. FIG. 8 is a diagram showing an example of an asymmetric voltage waveform for realizing the example of the electric field waveform shown in FIG. In the example shown in FIG. 8, a signal P1 having a constant voltage (here, 0 V) is supplied to the first electrode 111, and a high frequency waveform signal P2 having a period T and pulse widths t1 and t2 equal to those of the asymmetric waveform electric field in FIG. is supplied to the second electrode 112 . The amplitude of the high-frequency waveform signal P2 is Vmax to -Vmin corresponding to Emax to Emin.

図４に示すように、信号Ｐ１及びＰ２はコンデンサを介して、それぞれ第１の電極１１１及び第２の電極１１２に供給される。このため、非対称電圧波形の交流成分だけが第１の電極１１１及び第２の電極１１２に伝えられる。また、信号ＣＶ１及びＣＶ２は抵抗を介して、それぞれ第１の電極１１１及び第２の電極１１２に供給される。従って、第１の電極１１１に印加される信号の平均電圧は信号ＣＶ１の電圧となり、第２の電極１１２に印加される信号の平均電圧は信号ＣＶ２の電圧となる。 As shown in FIG. 4, signals P1 and P2 are applied via capacitors to first electrode 111 and second electrode 112, respectively. Therefore, only the AC component of the asymmetric voltage waveform is transmitted to the first electrode 111 and the second electrode 112 . Signals CV1 and CV2 are also supplied to the first electrode 111 and the second electrode 112, respectively, via resistors. Therefore, the average voltage of the signal applied to the first electrode 111 is the voltage of the signal CV1, and the average voltage of the signal applied to the second electrode 112 is the voltage of the signal CV2.

バイアス電圧発生回路１６４は、筐体１５１にバイアス電圧Ｖｂを印加する。バイアス電圧発生回路１６４は、サンプルガスが正イオン化される場合、正のバイアス電圧Ｖｂ、例えば＋５０Ｖを筐体１５１に印加し、サンプルガスが負イオン化される場合、負のバイアス電圧Ｖｂ、例えば－５０Ｖを筐体１５１に印加する。 A bias voltage generation circuit 164 applies a bias voltage Vb to the housing 151 . A bias voltage generation circuit 164 applies a positive bias voltage Vb, for example +50 V, to the housing 151 when the sample gas is positively ionized, and a negative bias voltage Vb, for example −50 V, when the sample gas is negatively ionized. is applied to the housing 151 .

第１の実施形態に係る分析システム１では、入口１７１からサンプルガスが筐体１５１内に導入される。筐体１５１内に導入されたサンプルガスはイオナイザ１３０によりイオン化される。イオンフィルタ１１０の作用により、イオン化されたサンプルガスの少なくとも一部がイオン検出電極１２０に到達し、イオン検出電極１２０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路１６１により検出される。また、サンプルガスは出口１７２から外部に排出される。 In the analysis system 1 according to the first embodiment, the sample gas is introduced into the housing 151 through the inlet 171 . A sample gas introduced into the housing 151 is ionized by the ionizer 130 . Due to the action of the ion filter 110, at least part of the ionized sample gas reaches the ion detection electrode 120, a current is generated according to the amount of ions that collide with the ion detection electrode 120, and this current is sent to the ion current detection circuit. 161. Also, the sample gas is discharged outside from the outlet 172 .

イオナイザ１３０がサンプルガスを正イオン化する場合、バイアス電圧発生回路１６４により筐体１５１に正のバイアス電圧Ｖｂが印加され、イオナイザ１３０がサンプルガスを負イオン化する場合、バイアス電圧発生回路１６４により筐体１５１に負のバイアス電圧Ｖｂが印加される。このとき、図５に示すように、サンプルガスの流路から見て、第２の方向の両側及び第３の方向の両側に筐体１５１が存在する。従って、筐体１５１の周辺には、第２の方向の第１の成分と第３の方向の第２の成分との両方を有する電界が生じる。そして、サンプルガスのイオンの極性とバイアス電圧Ｖｂの極性とが同一であるため、サンプルガスのイオンは筐体１５１から電気的に斥力を受け、筐体１５１の内部の空間の中央を流れやすく、筐体１５１には接触しにくくなる。このため、第１の実施形態によれば、十分な量のイオンをイオン検出電極１２０に到達させることができ、検出感度を向上することができる。 When the ionizer 130 positively ions the sample gas, the bias voltage generation circuit 164 applies a positive bias voltage Vb to the housing 151 . is applied with a negative bias voltage Vb. At this time, as shown in FIG. 5, the housings 151 exist on both sides in the second direction and both sides in the third direction when viewed from the sample gas flow path. Therefore, an electric field having both a first component in the second direction and a second component in the third direction is generated around the housing 151 . Since the polarity of the ions of the sample gas and the polarity of the bias voltage Vb are the same, the ions of the sample gas receive electrical repulsion from the housing 151 and easily flow through the center of the space inside the housing 151. The housing 151 becomes less likely to come into contact. Therefore, according to the first embodiment, a sufficient amount of ions can reach the ion detection electrode 120, and detection sensitivity can be improved.

なお、イオナイザ１３０がコロナ放電によりサンプルガスをイオン化する場合、バイアス電圧Ｖｂがコロナ放電電極の電圧（例えば＋５ｋＶ又は－５ｋＶ）に近いほど、筐体１５１への接触を抑制しやすい。その一方で、バイアス電圧Ｖｂが高すぎて放電が生じると、正確な分析が困難になりやすい。通常、数十Ｖから百Ｖ程度にすると放電は生じず、またバイアス電圧発生回路１６４を実現しやすい。このため、バイアス電圧Ｖｂは±数十Ｖから±百Ｖ程度であることが好ましい。 When the ionizer 130 ionizes the sample gas by corona discharge, the closer the bias voltage Vb is to the voltage of the corona discharge electrode (eg, +5 kV or -5 kV), the easier it is to suppress contact with the housing 151 . On the other hand, if the bias voltage Vb is too high and discharge occurs, accurate analysis tends to be difficult. Generally, when the voltage is set to about several tens of volts to about 100 volts, discharge does not occur, and the bias voltage generation circuit 164 can be easily realized. Therefore, it is preferable that the bias voltage Vb is about ±several tens of volts to ±hundred volts.

また、本願発明者らの実験によると、イオナイザ１３０の放電電極の電圧と、バイアス電圧Ｖｂと、イオンフィルタ１１０のオフセット電圧と、イオン検出電極１２０の電位との間に、下記の関係が成り立つ場合に、特に優れた感度が得られる。 Further, according to experiments by the inventors of the present application, when the following relationship holds between the voltage of the discharge electrode of the ionizer 130, the bias voltage Vb, the offset voltage of the ion filter 110, and the potential of the ion detection electrode 120: particularly good sensitivity.

｜イオナイザ１３０の放電電極の電圧｜
＞｜バイアス電圧Ｖｂ｜
≧｜イオンフィルタ１１０のオフセット電圧｜
＞｜イオン検出電極１２０の電位｜ |voltage of the discharge electrode of the ionizer 130|
>|bias voltage Vb|
≧|offset voltage of the ion filter 110|
>|potential of the ion detection electrode 120|

筐体１５１の内壁面が構成するサンプルガスの流路の断面形状は四角形（図５参照）に限定されず、円形等の他の形状であってもよい。また、筐体１５１が一体的に形成されている必要はなく、周方向で複数の部位が、ねじ、接着等によって組み合わされていてもよい。筐体１５１は、周方向に連続する環状に形成されていることが好ましい。つまり、筐体１５１は、サンプルガスの流路を四方から隈なく囲んでいることが好ましい。 The cross-sectional shape of the sample gas channel formed by the inner wall surface of the housing 151 is not limited to a square (see FIG. 5), and may be other shapes such as a circle. Moreover, the housing 151 does not have to be integrally formed, and a plurality of portions may be combined in the circumferential direction by screws, adhesion, or the like. The housing 151 is preferably formed in an annular shape that is continuous in the circumferential direction. In other words, it is preferable that the housing 151 completely surrounds the flow path of the sample gas from all sides.

なお、非対称電圧波形の信号は図８に示す例に限定されない。図９は、図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の他の一例を示す図である。図９に示す例では、図３の非対称波形電界と等しい周期Ｔ、パルス幅ｔ１、ｔ２を有する高周波波形信号Ｐ１を第１の電極１１１に供給し、図３の非対称波形電界と等しい周期Ｔ、パルス幅ｔ１、ｔ２を有する高周波波形信号Ｐ２を第２の電極１１２に供給する。高周波波形信号Ｐ１の振幅は、Ｖｍｉｎ／２～－Ｖｍａｘ／２であり、高周波波形信号Ｐ２の振幅は、Ｖｍａｘ／２～－Ｖｍｉｎ／２である。このような非対称電圧波形の信号を用いても図３に示す電界波形の一例を実現することができる。 Note that the asymmetric voltage waveform signal is not limited to the example shown in FIG. FIG. 9 is a diagram showing another example of an asymmetric voltage waveform for realizing the example of the electric field waveform shown in FIG. In the example shown in FIG. 9, a high-frequency waveform signal P1 having a period T equal to the asymmetric waveform electric field in FIG. 3 and pulse widths t1 and t2 is supplied to the first electrode 111, and A high frequency waveform signal P2 having pulse widths t1 and t2 is supplied to the second electrode 112 . The amplitude of the high frequency waveform signal P1 is Vmin/2 to -Vmax/2, and the amplitude of the high frequency waveform signal P2 is Vmax/2 to -Vmin/2. An example of the electric field waveform shown in FIG. 3 can also be realized by using such an asymmetrical voltage waveform signal.

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、ＦＡＩＭＳシステムを応用した分析システムに関する。図１０は、第２の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。図１１は、第２の実施形態に係る分析システムの構成を示す断面図である。図１１は、図１０中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。 (Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described. A second embodiment relates to an analysis system to which the FAIMS system is applied. FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of an analysis system according to the second embodiment. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the analysis system according to the second embodiment. FIG. 11 corresponds to a cross-sectional view taken along line II in FIG.

第２の実施形態に係る分析システム２は、導電性を備えた筐体１５１に代えて、絶縁性を備えた筐体１５２を有する。筐体１５２は、例えば樹脂製である。第１の電極１１１及び第２の電極１１２は筐体１５２の内壁面上に設けられており、第１の実施形態に係る分析システム１に含まれる絶縁体１１３及び１１４は、分析システム２に含まれない。第１の電極１１１及び第２の電極１１２の入口１７１側において、筐体１５２の内壁面上にバイアス電極２０１が設けられている。バイアス電極２０１は、例えば、少なくともイオナイザ１３０と第１の電極１１１及び第２の電極１１２との間で、筐体１５２の内壁面の全周を覆うように形成されている。バイアス電圧発生回路１６４は、筐体１５２ではなくバイアス電極２０１にバイアス電圧Ｖｂを印加する。第２の実施形態では、筐体１５２が枠部の一例であり、筐体１５２とバイアス電極２０１とを合わせて筐体とみなすことができる。他の構成は第１の実施形態と同様である。 The analysis system 2 according to the second embodiment has an insulating housing 152 instead of the conductive housing 151 . The housing 152 is made of resin, for example. The first electrode 111 and the second electrode 112 are provided on the inner wall surface of the housing 152, and the insulators 113 and 114 included in the analysis system 1 according to the first embodiment are included in the analysis system 2. can't A bias electrode 201 is provided on the inner wall surface of the housing 152 on the inlet 171 side of the first electrode 111 and the second electrode 112 . The bias electrode 201 is formed, for example, at least between the ionizer 130 and the first electrode 111 and the second electrode 112 so as to cover the entire circumference of the inner wall surface of the housing 152 . The bias voltage generation circuit 164 applies the bias voltage Vb to the bias electrode 201 instead of the housing 152 . In the second embodiment, the housing 152 is an example of the frame portion, and the housing 152 and the bias electrode 201 can be collectively regarded as the housing. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

第２の実施形態に係る分析システム２では、イオナイザ１３０がサンプルガスを正イオン化する場合、バイアス電圧発生回路１６４によりバイアス電極２０１に正のバイアス電圧Ｖｂが印加され、イオナイザ１３０がサンプルガスを負イオン化する場合、バイアス電圧発生回路１６４によりバイアス電極２０１に負のバイアス電圧Ｖｂが印加される。従って、イオン化されたサンプルガスはバイアス電極２０１から電気的に斥力を受け、バイアス電極２０１及び筐体１５２には接触しにくくなる。このため、第２の実施形態によれば、十分な量のイオンをイオン検出電極１２０に到達させることができ、検出感度を向上することができる。 In the analysis system 2 according to the second embodiment, when the ionizer 130 positively ions the sample gas, the bias voltage generation circuit 164 applies a positive bias voltage Vb to the bias electrode 201, and the ionizer 130 negatively ions the sample gas. In this case, the bias voltage generation circuit 164 applies a negative bias voltage Vb to the bias electrode 201 . Therefore, the ionized sample gas receives electrical repulsion from the bias electrode 201 and is less likely to come into contact with the bias electrode 201 and housing 152 . Therefore, according to the second embodiment, a sufficient amount of ions can reach the ion detection electrode 120, and detection sensitivity can be improved.

分析システム２では、バイアス電極２０１は、周方向に連続する環状に形成されていることが好ましい。つまり、バイアス電極２０１は、サンプルガスの流路を四方から隈なく囲んでいることが好ましい。 In the analysis system 2, the bias electrode 201 is preferably formed in a ring that is continuous in the circumferential direction. In other words, it is preferable that the bias electrode 201 completely surrounds the flow path of the sample gas from all sides.

また、バイアス電極２０１は、少なくとも、イオナイザ１３０とイオンフィルタ１１０との間で筐体１５２の内壁面に設けられていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the bias electrode 201 is provided on the inner wall surface of the housing 152 at least between the ionizer 130 and the ion filter 110 .

バイアス電極２０１は、例えば、金属箔である。バイアス電極２０１を金属蒸着法又はめっき法により形成してもよい。 The bias electrode 201 is, for example, metal foil. The bias electrode 201 may be formed by metal vapor deposition or plating.

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、ＦＡＩＭＳシステムを応用した分析システムに関する。図１２は、第３の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment relates to an analysis system applying the FAIMS system. FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of an analysis system according to the third embodiment.

第３の実施形態に係る分析システム３は、全体が導電性を備えた筐体１５１に代えて、出口１７２側に絶縁性を備えた絶縁部１５３Ａを含み、入口１７１側に導電性を備えた導電部１５３Ｂを含む筐体１５３を有する。絶縁部１５３Ａは、例えば樹脂製であり、導電部１５３Ｂは、例えば金属製である。導電部１５３Ｂには、信号ＣＶ１が供給されるように補償電圧発生回路１６３が接続されており、分析システム１に含まれるバイアス電圧発生回路１６４は、分析システム２に含まれていない。他の構成は第１の実施形態と同様である。 The analysis system 3 according to the third embodiment includes an insulating part 153A having insulation on the outlet 172 side instead of the housing 151 having conductivity as a whole, and has conductivity on the inlet 171 side. It has a housing 153 that includes a conductive portion 153B. The insulating portion 153A is made of resin, for example, and the conductive portion 153B is made of metal, for example. A compensation voltage generation circuit 163 is connected to the conducting portion 153B so as to supply the signal CV1, and the bias voltage generation circuit 164 included in the analysis system 1 is not included in the analysis system 2. FIG. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

第３の実施形態に係る分析システム３では、イオナイザ１３０がサンプルガスを正イオン化する場合、補償電圧発生回路１６３により導電部１５３Ｂに正で一定の電圧の信号ＣＶ１が供給され、イオナイザ１３０がサンプルガスを負イオン化する場合、補償電圧発生回路１６３により導電部１５３Ｂに負で一定の電圧の信号ＣＶ１が印加される。従って、イオン化されたサンプルガスは導電部１５３Ｂから電気的に斥力を受け、導電部１５３Ｂには接触しにくくなる。このため、第３の実施形態によれば、十分な量のイオンをイオン検出電極１２０に到達させることができ、検出感度を向上することができる。 In the analysis system 3 according to the third embodiment, when the ionizer 130 positively ions the sample gas, the compensating voltage generation circuit 163 supplies the positive and constant voltage signal CV1 to the conductive portion 153B, and the ionizer 130 positively ions the sample gas. is negatively ionized, the compensating voltage generating circuit 163 applies a negative constant voltage signal CV1 to the conductive portion 153B. Therefore, the ionized sample gas receives electrical repulsion from the conductive portion 153B and is less likely to come into contact with the conductive portion 153B. Therefore, according to the third embodiment, a sufficient amount of ions can reach the ion detection electrode 120, and detection sensitivity can be improved.

なお、信号ＣＶ２は補償電圧を含み、コードに応じて変化するため、導電部１５３Ｂに供給する信号としては、信号ＣＶ１の方が好ましい。 Since the signal CV2 includes a compensation voltage and changes according to the code, the signal CV1 is preferable as the signal to be supplied to the conductive portion 153B.

筐体１５３に代えて筐体１５１が用いられ、筐体１５１に信号ＣＶ１が供給されるように補償電圧発生回路１６３が接続されていてもよい。 A housing 151 may be used instead of the housing 153, and the compensation voltage generation circuit 163 may be connected to the housing 151 so as to supply the signal CV1.

第１、第２の実施形態において、第３の実施形態のように、補償電圧発生回路１６３が筐体１５１又はバイアス電極２０１に電圧を印加してもよい。 In the first and second embodiments, the compensation voltage generation circuit 163 may apply voltage to the housing 151 or the bias electrode 201 as in the third embodiment.

次に、本願発明者らが行った実験について説明する。図１３は、実験に用いた装置を示す模式図である。 Next, experiments conducted by the inventors of the present application will be described. FIG. 13 is a schematic diagram showing the apparatus used in the experiment.

この実験に用いた装置４は、筐体４５０と、筐体４５０へのサンプルガスの導入部４４０と、導入部４４０と筐体４５０との間に配置されたイオナイザ４３０と、筐体４５０の出口４５１の下流側に設けられたイオン検出電極４２０とを有する。イオナイザ４３０は、筒状の正極４３１と、針状の負極４３２とを有し、正極４３１と負極４３２との間に直流の高電圧源４３３が接続されている。イオナイザ４３０はコロナ放電４３４により負イオンを発生させる。筐体４５０は金属製である。筐体４５０には、負のバイアス電圧を印加する可変のバイアス電圧源４６４が接続されている。イオン検出電極４２０には電流計４６１が接続されている。 The device 4 used in this experiment includes a housing 450, a sample gas introduction section 440 into the housing 450, an ionizer 430 disposed between the introduction section 440 and the housing 450, and an outlet of the housing 450. and an ion detection electrode 420 provided downstream of 451 . The ionizer 430 has a cylindrical positive electrode 431 and a needle-like negative electrode 432 , and a DC high voltage source 433 is connected between the positive electrode 431 and the negative electrode 432 . Ionizer 430 generates negative ions by corona discharge 434 . The housing 450 is made of metal. A variable bias voltage source 464 that applies a negative bias voltage is connected to the housing 450 . An ammeter 461 is connected to the ion detection electrode 420 .

導入部４４０から乾燥空気（Dry air）を装置４内に送り込むと、送り込まれた乾燥空気は、イオナイザ４３０及び筐体４５０を通り、筐体４５０とイオン検出電極１２０との間の隙間から放出される。放電針（負極４３２）にはＧＮＤ電極を基準に高電圧源４３３からの負の電圧（ＨＶ）を印加し、コロナ放電をさせることによって負イオンを発生させる。イオンはイオナイザ４３０とイオン検出電極４２０との間の距離Ｔの筐体４５０の中の空間を乾燥空気の流れに乗って移動し、イオン検出電極４２０に接触して外部に放出される。イオン検出電極４２０に接触したイオンは電荷をイオン検出電極４２０に放出して、放出された電荷が電流源ｉとなって流れ、電流計４６１によって測定される。電流計４６１は電流電圧変換回路（ＩＶ変換）を用いており、イオン検出電極４２０の電位はＧＮＤと同電位となっている。 When dry air is sent into the device 4 from the introduction part 440, the dry air sent passes through the ionizer 430 and the housing 450 and is emitted from the gap between the housing 450 and the ion detection electrode 120. be. A negative voltage (HV) from a high voltage source 433 is applied to the discharge needle (negative electrode 432) with reference to the GND electrode, and negative ions are generated by corona discharge. The ions move in the space within the housing 450 at a distance T between the ionizer 430 and the ion detection electrode 420 with the flow of dry air, contact the ion detection electrode 420 and are emitted to the outside. Ions contacting the ion detection electrode 420 emit charges to the ion detection electrode 420 , the emitted charges flow as a current source i, and are measured by the ammeter 461 . The ammeter 461 uses a current-voltage conversion circuit (IV conversion), and the potential of the ion detection electrode 420 is the same as GND.

この実験では、イオナイザ４３０により発生させたイオンがイオン検出電極４２０に達する量をイオン電流として測定し、筐体４５０に印加するバイアス電圧とイオン電流ｉとの関係を調べた。具体的には、導入部４４０から乾燥空気（Dry air）を１分間あたり１リットルの流量で装置４内に送り込んだ。放電針（負極４３２）には高電圧源４３３から－２．５ｋＶの電圧を印加した。また、距離Ｔは、１０ｍｍ又は２０ｍｍの２条件とした。バイアス電圧は０Ｖから－６０Ｖまで１０Ｖステップで変化させた。 In this experiment, the amount of ions generated by the ionizer 430 reaching the ion detection electrode 420 was measured as the ion current, and the relationship between the bias voltage applied to the housing 450 and the ion current i was examined. Specifically, dry air was sent into the device 4 from the introduction part 440 at a flow rate of 1 liter per minute. A voltage of -2.5 kV was applied from a high voltage source 433 to the discharge needle (negative electrode 432). Moreover, the distance T was set to two conditions of 10 mm and 20 mm. The bias voltage was changed from 0V to -60V in steps of 10V.

この結果を図１４に示す。図１４の横軸は筐体４５０に印加したバイアス電圧を示し、縦軸はイオン電流ｉを示す。図１４に示す結果から、以下の２つのことが分かる。 The results are shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 14 indicates the bias voltage applied to the housing 450, and the vertical axis indicates the ion current i. From the results shown in FIG. 14, the following two things are known.

（１）距離Ｔが近いほど、イオン電流ｉが大きい。 (1) The closer the distance T, the greater the ion current i.

（２）イオン検出電極４２０と筐体４５０との間の電位差が大きいほど、イオン電流ｉが大きい。 (2) The greater the potential difference between the ion detection electrode 420 and the housing 450, the greater the ion current i.

本開示は（２）の特性を利用しており、負イオンであれば筐体を負の電位にすることによって、筐体よりもＧＮＤ電位である０Ｖのイオン検出電極の方にイオンが移動するように電界を発生させている。筐体の電位をマイナス側に大きくすることによってイオンに作用する電界が大きくなりイオン検出電極に達するイオン量が増加する。 The present disclosure utilizes the characteristics of (2), and for negative ions, by setting the housing to a negative potential, the ions move toward the 0 V ion detection electrode, which is the GND potential, rather than the housing. An electric field is generated as follows. By increasing the potential of the housing toward the negative side, the electric field acting on the ions increases and the amount of ions reaching the ion detecting electrode increases.

図１４には負イオンに関する実験結果を示してあるが、正イオンの場合も同様の傾向の結果が得られる。その場合は極性が逆になり、イオナイザには正の電圧を印加して正イオンを発生させる。筐体の電位をプラス側に大きくすることによってイオンに作用する電界が大きくなりイオン検出電極に達するイオン量が増加する。 Although FIG. 14 shows the experimental results for negative ions, similar results are obtained for positive ions. In that case, the polarity is reversed and a positive voltage is applied to the ionizer to generate positive ions. By increasing the potential of the housing toward the positive side, the electric field acting on the ions increases and the amount of ions reaching the ion detection electrode increases.

なお、第１の電極１１１及び第２の電極１１２の形態は平行平板に限定されない。例えば、図１５に示すように、ＭＥＭＳ工程を用いて櫛歯状に交互に配置された第１の電極１１１及び第２の電極１１２を用いてもよい。この例では、例えば、ＳＯＩ基板の支持基板を支持層５０１とし、酸化層を絶縁層５０２とし、活性層を電極層５０３と、電極層５０３に第１の電極１１１及び第２の電極１１２を形成することができる。また、支持層５０１をイオン検出電極１２０として用いることもできる。この例によれば、イオン通過面積を確保しつつ小型化することができる。 Note that the forms of the first electrode 111 and the second electrode 112 are not limited to parallel plates. For example, as shown in FIG. 15, first electrodes 111 and second electrodes 112 alternately arranged in a comb-tooth shape using a MEMS process may be used. In this example, for example, the supporting substrate of the SOI substrate is the supporting layer 501, the oxide layer is the insulating layer 502, the active layer is the electrode layer 503, and the first electrode 111 and the second electrode 112 are formed on the electrode layer 503. can do. Also, the support layer 501 can be used as the ion detection electrode 120 . According to this example, it is possible to reduce the size while ensuring the ion passage area.

各実施形態に係る分析システムは、例えば便が発する便臭ガスの成分の分析に用いることができる。近年、腸内の細菌フローラの状態と健康状態との関係が注目されている。ヒトの腸内には数百種類もの腸内細菌が住み着いており、善玉菌、悪玉菌及び日和見菌に大別されるという。また、これらの理想的な構成比（バランス）は「２：１：７」という説がある。これら腸内細菌のバランスはヒトによっても年齢によっても変わると言われ、健康状態のバロメータにもなりえる。食生活や生活習慣の乱れ、ストレス、便秘などは悪玉菌の増殖を促し、腐敗臭のするガスを発生させ、発がん性物質を生むこともあるといわれる。そこで、便が発する便臭ガスの成分を分析して細菌フローラの状態を調べ、健康状態の把握と病気の早期発見を行う研究が行われている。各実施形態に係る分析システムは、このような便臭ガスの成分の分析に用いることができる。すなわち、実施形態のいずれかに係る分析システムを備えた便臭ガス分析システムを構成することができる。 The analysis system according to each embodiment can be used, for example, to analyze the components of fecal odor gas emitted by stool. In recent years, attention has been focused on the relationship between the state of intestinal bacterial flora and health. Hundreds of types of intestinal bacteria live in the human intestine, and are roughly classified into good bacteria, bad bacteria, and opportunistic bacteria. There is also a theory that the ideal composition ratio (balance) of these is "2:1:7". The balance of these intestinal bacteria is said to change depending on the person and age, and can be a barometer of health status. Disordered eating habits and lifestyle habits, stress, constipation, etc. are said to promote the growth of bad bacteria, generate putrid smelling gas, and produce carcinogenic substances. Therefore, research is being conducted to analyze the components of fecal odor gas emitted by stool to examine the state of bacterial flora, grasp the state of health, and detect diseases at an early stage. The analysis system according to each embodiment can be used to analyze such components of fecal odor gas. That is, it is possible to configure a fecal odor gas analysis system that includes the analysis system according to any of the embodiments.

各実施形態に係る分析システムは、例えばヒトの呼気に含まれる成分の分析に用いることもできる。近年、ヒトの呼気に含まれる微量な呼気ガス成分と疾病との関係が明らかになりつつあり、呼気中の濃度が疾病と相関をもつ呼気ガス成分はマーカ物質とよばれる。各実施形態に係る分析システムは、このような呼気ガス成分の分析に用いることもできる。すなわち、実施形態のいずれかに係る分析システムを備えた呼気ガス分析システムを構成することができる。 The analysis system according to each embodiment can also be used, for example, to analyze components contained in human breath. In recent years, the relationship between minute amounts of exhaled gas components contained in human exhalation and diseases has been clarified, and exhaled gas components whose concentrations in exhaled breath correlate with diseases are called marker substances. The analysis system according to each embodiment can also be used for analysis of such exhaled gas components. That is, it is possible to configure an exhaled gas analysis system that includes the analysis system according to any of the embodiments.

各実施形態に係る分析システムは、人体に有害なガスの有無の検出のための分析や、熟した食べ物が発するガスの分析等に用いることもできる。 The analysis system according to each embodiment can also be used for analysis for detecting the presence or absence of gases harmful to the human body, analysis of gases emitted from ripe food, and the like.

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope of the claims. Modifications and substitutions can be made.

１、２、３ 分析システム
１１０：イオンフィルタ
１２０：イオン検出電極
１３０：イオナイザ
１５１、１５２、１５３：筐体
１５３Ａ：絶縁部
１５３Ｂ：導電部
１６１：イオン電流検出回路
１６２：非対称波形信号発生回路
１６３：補償電圧発生回路
１６４：バイアス電圧発生回路
１７１：入口
１７２：出口
２０１：バイアス電極 1, 2, 3 Analysis System 110: Ion Filter 120: Ion Detection Electrode 130: Ionizer 151, 152, 153: Housing 153A: Insulation Part 153B: Conductive Part 161: Ion Current Detection Circuit 162: Asymmetric Waveform Signal Generation Circuit 163: Compensation voltage generation circuit 164: bias voltage generation circuit 171: inlet 172: outlet 201: bias electrode

特許第５６９０９６３号公報Japanese Patent No. 5690963

Claims (7)

放電電極を有し、サンプルガスを第１の極性にイオン化させるイオン化部と、
前記サンプルガスのイオンの少なくとも一部を検出する検出器と、
前記イオン化部及び前記検出器を収容する筐体と、
前記筐体に前記第１の極性の電圧を印加することで、前記イオン化部と前記検出器との間で前記筐体の内側に電界を発生させる電圧印加部と、
前記イオン化部と前記検出器との間に設けられたイオンフィルタと、
を有し、
前記電界は、前記サンプルガスの通流方向に平行な第１の方向に対して直交する第２の方向の第１の成分と、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向の第２の成分とを有し、
前記筐体は、少なくとも、前記イオン化部と前記イオンフィルタとの間で導電性を備え、
前記電圧印加部は、前記イオンフィルタに含まれる電極にオフセット電圧を印加し、
前記検出器は、前記イオンフィルタを通過したイオンが衝突するイオン検出電極を有し、
前記放電電極の電圧をＶ１、前記電圧印加部により前記筐体に印加される電圧をＶ２、前記オフセット電圧をＶ３、前記イオン検出電極の電位をＶ４としたとき、
｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜≧｜Ｖ３｜＞｜Ｖ４｜
の関係が成り立つことを特徴とする分析システム。 an ionization section that has a discharge electrode and ionizes the sample gas to a first polarity;
a detector that detects at least some of the ions of the sample gas;
a housing that houses the ionization unit and the detector;
a voltage applying unit that applies the voltage of the first polarity to the housing to generate an electric field inside the housing between the ionization unit and the detector;
an ion filter provided between the ionization unit and the detector;
has
The electric field has a first component in a second direction orthogonal to the first direction parallel to the flowing direction of the sample gas, and a third component orthogonal to the first direction and the second direction. and a second component in the direction of
the housing has conductivity at least between the ionization section and the ion filter;
The voltage application unit applies an offset voltage to the electrodes included in the ion filter,
The detector has an ion detection electrode with which ions that have passed through the ion filter collide,
When the voltage of the discharge electrode is V1, the voltage applied to the housing by the voltage applying unit is V2, the offset voltage is V3, and the potential of the ion detection electrode is V4,
|V1|>|V2|≧|V3|>|V4|
An analysis system characterized by the relationship of 前記筐体は、周方向に連続する環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の分析システム。 2. The analysis system according to claim 1, wherein the housing is formed in a ring that is continuous in the circumferential direction. 前記筐体は、導電性を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の分析システム。 3. The analysis system according to claim 1, wherein said housing is electrically conductive. 前記筐体は、
絶縁性を備えた枠部と、
前記枠部の内側に設けられた電極と、
を有し、
前記電圧印加部は、前記電極に前記第１の極性の電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の分析システム。 The housing is
a frame portion with insulation;
an electrode provided inside the frame;
has
4. The analysis system according to any one of claims 1 to 3, wherein the voltage applying section applies the voltage of the first polarity to the electrodes. 前記サンプルガスのイオンと前記筐体との間に斥力が作用することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分析システム。5. The analysis system according to any one of claims 1 to 4, wherein a repulsive force acts between ions of said sample gas and said housing. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の分析システムを備えた便臭ガス分析システム。 A fecal odor gas analysis system comprising the analysis system according to any one of claims 1 to 5 . 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の分析システムを備えた呼気ガス分析システム。 An expired gas analysis system comprising the analysis system according to any one of claims 1 to 5 .
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